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lunes, 28 de mayo de 2012

Monascus purpureus, lovastatina y arroz rojo

Granos de arroz rojo chino, un producto de la fermentación por Monascus purpureus. Fuente: Wikipedia


Se acaba de publicar la lista de declaraciones autorizadas de propiedades saludables de los alimentos distintas de las relativas a la reducción del riesgo de enfermedad y al desarrollo y la salud de los niños. Y en ella sólo aparecen nombrados tres microorganismos. Dos de ellos son las bácterias lácticas Lactobacillus delbrueckii subsp. bulgaricus y Streptococcus thermophilus que aparecen bajo el epígrafe "Cultivos vivos de yogur" y de los cuales se reconoce que me­joran la digestión de la lac­tosa del producto en las per­sonas con problemas para digerir la lactosa siempre que el yogur o la leche fermentada tengan una concentración de 108 Unidades Formadoras de Colonia por gramo.

Microfotografías de Monascus spp. al microscopio óptico y al de microscopía electrónica de barrido. Fuente: Wang y Ling 2007


El tercero es Monascus purpureus, la levadura del arroz rojo chino. Aunque en realidad no es una levadura, es un moho pariente de los Aspergillus. Este microorganismo es responsable de la coloración rojo púrpura característica del arroz rojo, cereal que se utiliza para colorear diversos platos chinos y orientales. Desde hacía tiemoo se le atribuían propiedades saludables, y ahora la EFSA parece haberlo reconocido. En la lista podemos leer que La monacolina K del arroz de levadura roja contribuye a mantener niveles normales de colesterol sanguíneo siempre que se tomen 10 mg diarios de dicho compuesto producido por la levadura.

Colonias de Monascus purpureus. Fuente: PharmachemicaLea


¿Qué hace la monacolina K, también conocida como lovastatina? Pues es un inhibidor de la HMG-CoA reductasa, una enzima de la ruta metabólica de producción del colesterol. De hecho, la lovastatina purificada es un medicamento para el tratamiento de la hipercolesterolemia. La lovastatina se puede obtener mediante fermentación del arroz por este hongo, o por alguno de sus parientes, como M. ruber, aunque actualmente, la mayor parte de la lovastatina se produce gracias a otros hongos como Aspergillus terreus que pueden ser cultivados en biorreactores de agitación.

Estructura química de la lovastatina. Fuente: Wikipedia


Esta entrada participa en el XV carnaval de la Química que se hospeda en El Cuaderno de Calpurnia y en el XIII carnaval de la Biología que se aloja en Caja de Ciencia.

ResearchBlogging.org

Wang TH, & Lin TF (2007). Monascus rice products. Advances in food and nutrition research, 53, 123-59 PMID: 17900498

miércoles, 23 de mayo de 2012

Comer yogur es cosa de hombres


Origen de la imagen: Velica



Cuando me tocó hacer la mili, una de las cosas que nos gritaba nuestro sargento durante la instrucción era "¡Corred más rápido, pandilla de comeyogures!". Bueno, pues resulta que no nos estaba insultando, sino agasajando, al menos si se confirman los resultados que según la web de Scientific American han obtenido los investigadores del MIT liderados por Susan Erdman y Eric Alm.

Ya hemos hablado en este blog sobre la relación entre microbiota y obesidad. Pues bien, el grupo del MIT se dispuso a estudiar si el yogur afectaba al desarrollo de la obesidad y a sus complicaciones como el desarrollo de cáncer. Así que los investigadores tomaron grupos de 40 ratones macho y 40 hembras. A unos los alimentaron a base de una dieta con alto contenido en grasas, poca fibra y pocos nutrientes que simulaba la comida basura. A otros en cambio los alimentaron con la dieta ratonil estándar. Luego, a la mitad de cada grupo la suplementaron con yogur y a la otra mitad no (¿se ha perdido? Son cuatro grupos. Dos de "comida basura" con y sin yogur, y otros dos de comida "ratonil" con y sin yogur). Por cierto, el yogur era con sabor a vainilla.

Lo primero que notaron los investigadores era que los ratones comeyogures tenían el pelo más brillante y sedoso. Al realizar el estudio histológico se encontraron que los comeyogures tenían 10 veces más folículos activos que los otros ratones. Lo segundo que notaron era que los machos comeyogures proyectaban sus testículos hacia fuera y se "pavoneaban" ante las hembras mucho más frecuentemente. Al medir los testículos encontraron diferencias significativas entre los grupos. Los comeyogures tenían testículos un 5% más pesados que los del grupo que comía la dieta "ratonil" normal, y hasta un 15% más pesados al compararlos con los ratones alimentados a base de comida basura. Y como era de esperar eran más "machos". En los experimentos de apareamiento los comeyogures inseminaban a las hembras mucho más rápidamente y tenían más descendencia que los ratones control.


Paquete de yogures


¿Y las hembras? También se han encontrado con una serie de efectos saludables. Las hembras comeyogures parían camadas más numerosas y alimentaban a sus crías con mayor éxito. Ahora bien ¿se pueden extrapolar estos resultados a los humanos? Quizás. Un grupo de la Universidad de Harvard liderado por el epidemiólogo Jorge Chavarro está estudiando la relación entre la ingesta de yogur y la calidad del semen de los humanos. Y según sus propias palabras, lo que han encontrado por ahora es consistente con lo encontrado en ratones.

Mira por donde, al final va a resultar que lo de los "cuerpos danone" no iba tan desencaminado (a ver si cae alguna subvención por la publicidad que les he hecho en esta entrada ;)




Esta entrada participa en el XIII carnaval de la Biología que se aloja en Caja de Ciencia.

martes, 22 de mayo de 2012

Un brindis del pasado



Hay ocasiones en las que la Microbiología Industrial y la Arqueología van de la mano. Uno de los casos más recientes fue en el año 2010, con el descubrimiento de los restos de un naufragio en las islas finlandesas de Åaland. El pecio era un barco de mediados del siglo XIX, que aún no ha sido identificado. Entre otros tesoros los buceadores encontraron 162 botellas de champán. Lo sorprendente fue comprobar que 79 de dichas botellas todavía eran bebibles. Según los entendidos, el sabor del champán era espléndido, con toques dulces y aromas de tabaco y roble.



Las botellas pudieron conservarse por una serie de factores. Por un lado las aguas donde reposaba el pecio están a 50 metros, con lo que la presión no ha sido tan grande que permitiera entrar al agua de mar al interior de la botella. Otro factor es que dichas aguas son muy oscuras y su temperatura es de 4 grados. Una nevera muy eficiente podríamos decir. Además, las botellas contenían el sedimento de levadura responsable de la segunda fermentación (el proceso de degüelle no fue inventado por Madamme Veuve Clicquot hasta mediados del XIX). Finalmente, el champán iba destinado a la Rusia Imperial, y allí les gustaba el champán muy dulce. Generalmente se añadía unos 200 gramos de azúcar por litro. Para los estándares actuales, ese sería un champán con una concentración cuatro veces superior a lo que se denomina champán dulce. De hecho ya no se comercializan champañas con tantísima azúcar.



El año pasado se subastaron dos botellas de dicho naufragio. Una era de una bodega que desapareció en 1829, denominada Juglar. La botella alcanzó el precio de 24.000 euros. La otra botella era un Viuda Clicquot de 1841 y alcanzó los 30.000 euros. Ha sido el precio más caro jamás pagado por una botella antigua. Este año se subastarán otras 11 botellas y se estima que pueden alcanzar los 10.000 euros por botella.



Pero el champán no ha sido lo único que fue encontrado en el naufragio. También se encontraron numerosas botellas de cerveza. Sin embargo en esta ocasión el contenido no ha soportado el paso del tiempo y la cerveza es imbebible. El análisis químico mostró que había una gran proporción de sodio lo que indica que el agua marina consiguió entrar. Asimismo se encontró que el contenido alcohólico era menor de un 2'5%. También han encontrado que el pH es de 3,2, significativamente inferior al pH normal para la cerveza que es de 4,2. Sin embargo, los científicos creen que esas botellas contienen otros tesoros de gran valor.



En las botellas se han encontrado restos de levaduras, ya que ninguna ha sobrevivido. Se espera obtener DNA e identificarlas mediante biología molecular. Se sospecha que además de Sacharomyces cerevisiae, podría encontrarse especies del género Dekkera, una levadura característica de la cerveza lambic, y de la levadura Cyberlindnera jadinii, aunque en este último caso se cree que era una levadura contaminante. También se han identificado otros compuestos que podrían dar pistas muy valiosas sobre cómo se elaboraba la cerveza a principios del siglo XIX. Por ejemplo, se ha deducido que debía de quemarse madera durante los procesos de cocción, ya que se ha encontrado cantidades muy significativas de furfural, uno de los compuestos característicos del "aroma a almendra tostada" que se produce en la combustión de la madera.



Lo que sí han encontrado han sido bacterias del ácido láctico vivas, un tipo de microbios de gran interés en las fermentaciones alimentarias, sobre todo en aquellas relacionadas con las conservas de vegetales. De hecho, ellas han sido las responsables del bajo pH, ya que se han encontrado altos valores de acético, propiónico y butírico.

Fotografía de microscopía electrónica de células de diferentes especies bacterianas encontradas en la cerveza de Aaland. Las formas redondeadas probablemente son Pediococcus damnosus, mientras que la forma bacilar es un Lactobacillus. Fuente de la imagen VTT Finland.


En concreto han hallado cuatro especies: Pediococcus damnosus, Lactobacillus malefermentans, Lb. backii y Lb kisonensis. Esta última ha sido una sorpresa ya que la primera vez que aisló fue en el año 2009, como uno de los participantes en la fermentación de pepinillos al estilo japonés. Los investigadores han encontrado en la cerveza cantidades apreciables de beta-glucano, un polisacárido viscoso producido por las lactobacterias. Se piensa que ha actuado como un protector que les ha permitido sobrevivir durante tanto tiempo. Uno de los proyectos será crecerlas, caracterizarlas y utilizarlas como cultivos iniciadores en la elaboración de diversos productos alimentarios intentando rescatar los aromas del pasado.

Fuentes bibliográficas y de las imágenes:
The drinks bussines
Red Orbit
VTT Research Center


Esta entrada participa en el XV carnaval de la Química que se hospeda en El Cuaderno de Calpurnia y en el XIII carnaval de la Biología que se aloja en Caja de Ciencia.

Actualización 2015: Se ha completado el análisis de un par de botellas de cerveza, y efectivamente son imbebibles. Analysis of Beers from an 1840s’ Shipwreck

domingo, 13 de mayo de 2012

La hipótesis de la Reina Negra



Una de las primeras cosas que aprendes cuando estudias la evolución de los parásitos es que estos pierden genes. No importa que los parásitos sean grandes o pequeños, eucariotas o procariotas. Es lo que se conoce como decaimiento genómico (genome decay). Si el hospedador parasitado realiza una función ¿para qué quiere el parásito los genes que codifican para esa función? El decaimiento genómico no es exclusivo de los parásitos. También se da cuando hay simbiosis mutualistas. El típico ejemplo de decaimiento genómico llevado al extremo es el cromosoma de la mitocondria. Hace miles de millones de años el ancestro de la mitocondria era algo parecido a una alfa-proteobacteria, y tendría un gran genoma de unas 4 Mb que debía de codificar miles de proteínas necesarias para hacer la pared celular, un gran número de rutas metabólicas, una membrana externa, etc. Ahora, su genoma es algo menor de 20kb y sólo codifica para unas cuantas decenas de genes.

La perdida de genes es un buen mecanismo evolutivo siempre y cuando alguien haga por ti, lo que tú ya no puedes hacer. La energía y recursos dedicados a esas funciones perdidas se pueden dedicar a otras cosas. Por ejemplo, nosotros no tenemos genes para sintetizar aminoácidos como el triptófano o la fenilalanina. Los tomamos de los otros seres vivos que consumimos en nuestra dieta. Si lo que hemos comido es un filete, la ternera a su vez los habrán tomado de otro ser vivo ¿Quién hace en último término esos aminoácidos esenciales? Pues generalmente las plantas y las bacterias. Y puede decirse de ellas que hay relativamente bastante abundancia.

¿Y si la comida es escasa? En el océano hay mucha agua y luz, pero no hay casi materia orgánica disuelta. Uno esperaría que aquellos microorganismos que viven en esos ambientes oligotróficos posean una dotación genética tan completa que codifique para numerosas funciones que les permita sobrevivir en esos hábitats sintetizando todo aquello que requieren a partir de los pocos recursos disponibles. Serían el equivalente biológico a una navaja suiza. Pero paradójicamente no es así. Los dos géneros microbianos más abundantes de los océanos son las bacterias Pelagibacter y Prochlorococcus. El primero es un heterótrofo y el segundo un fotoautótrofo. Sin embargo, al estudiar su genoma se ha encontrado que también han sufrido la perdida de genes.



Célula de Pelagibacter ubique al microscopio electrónico. Fuente de la imagen.


Inicialmente se pensó que esa perdida de genes había sido debida a la deriva genética. Pero las funciones perdidas hacían que ambos tipos de microorganismos sean metabólicamente dependientes de otros. Así que ahora se piensa que esa pérdida no ha sido un producto del azar, sino de la Selección Natural. Pero ¿qué ventaja tiene perder genes que te hagan dependiente de otros en esas condiciones tan duras?

Jeffrey Morris, Richard Lenski y Erik Zinser creen tener la respuesta. Es la "hipótesis de la Reina Negra". El nombre está inspirado en el juego de naipes denominado "Hearts" (*). En cada mano de dicho juego debes de evitar quedarte con los naipes del palo de corazones, o con la reina de picas. Si te quedas con esas cartas, puntúas un punto por cada corazón y trece puntos por la reina de picas. Pierde el primero que llega a cien puntos. Está claro que a ninguno de los cuatro jugadores le gusta tener a la reina de picas entre sus cartas e intentará descartarla, pero alguien tiene que tenerla porque de lo contrario no se podría jugar.

Captura de pantalla de una partida juego "Corazones" que va incluido en el sistema operativo Windows. El jugador "Oeste" se ha descartado de la reina de picas y se la va a llevar el jugador "Este" ya que ha echado el as de picas


Pues algo parecido pasa con los microorganismos en los ambientes oligotróficos. Algunas especies pierden la habilidad de llevar a cabo ciertas funciones si pueden beneficiarse a costa de otra especie de microorganismos que la realice por ellos. Es decir, la cooperación entre dos especies microbianas surge por un rasgo totalmente egoísta. Una especie a la que le ha tocado la reina de picas es aquella que realiza una función necesaria para ella pero que "tiene una fuga" que permite que el producto de dicha función sea aprovechado por otros miembros de la vecindad, sin que necesariamente la especie "desafortunada" obtenga algo a cambio. Aunque de alguna forma esos "jugadores desafortunados" deben de obtener algo, porque si desaparecen también lo harían el resto de especies que dependen de ellos. Es lo que se llama un "mutualismo de subproducto"

La hipótesis de la reina negra explica el porqué las comunidades microbianas están íntimamente relacionadas por medio de una intrincada red de interacciones. Esta hipótesis predice que a nivel individual se favorece el que se pierdan genes cuyas funciones las realizan otros, y que evolucionará hasta que la producción de los bienes comunes es justo la suficiente para aguantar el equilibrio de toda la comunidad. En ese punto, el beneficio de cualquier perdida adicional se verá desfavorecido por el coste evolutivo. Las etapas evolutivas del establecimiento de estos "mutualismos de subproducto" serían: 1-utilización egoísta del producto sintetizado por otra especie; 2- perdida de los genes que se dedicaban a sintetizar ese producto que ahora se toma de otros; 3- evolución de complejos caracteres cooperativos para maximizar el aprovechamiento de las funciones realizadas por otros. En un determinado ecosistema, una especie puede llevar la reina de picas para una determinada función, pero a su vez se ve favorecida porque otra especie distinta lleva una reina de picas para otra función esencial. Es decir, el sistema no admite tramposos.


Células de Prochlorococcus al microscopio de barrido. Fuente: Chisholm laboratory.


En el caso concreto de Pelagibacter y de Prochlorococcus, lo que se ha estudiado es la pérdida del gen katG que codifica para la catalasa-peroxidasa. Esta enzima intracelular es la encargada de neutralizar el peróxido de hidrógeno (H2O2), un compuesto muy oxidante que se produce como consecuencia de reacciones de fotooxidación de la materia orgánica disuelta en el agua de mar. Si se disponen células de Prochlorococcus en agua de mar estéril y se ilumina con luz solar, al cabo de pocas horas se ha acumulado tanto peróxido de hidrógeno que todas las microalgas mueren. Las especies más cercanas a los ancestros evolutivos de Prochlorococcus sí que tienen el gen katG, sin embargo ni de lejos son tan abundantes en los océanos como ella. Algo similar ocurre con Pelagibacter. ¿Cómo sobreviven ambas especies a la acción del peróxido de hidrógeno? Pues por la enzima catalasa-peroxidasa que producen otros microorganismos que hay en la vecindad. El peróxido de hidrógeno permea a través de las membranas biológicas como una molécula de agua, y la catalasa-peroxidasa de los microorganismos es tan eficiente que aunque sea intracelular inactiva tanto peróxido de hidrógeno que la concentración extracelular de dicho compuesto nunca alcanza los niveles tóxicos para Pelagibacter y Prochlorococcus.

Dendrogramas que muestran las relaciones filogenéticas entre diversas especies de cianobacterias. A la izquierda está el basado en el 16S rRNA, a la derecha el basado en la presencia del gen katG. El ancestro común a Synechococcus y a Prochlorococcus debía de poseer dicho gen. Los puntos rojos indican el evento de perdida de katG. Fuente: Morris et al..


¿Qué es lo que se gana al perder el gen katG? Pues lo que se gana es hierro. Este bioelemento es un recurso muy escaso en los océanos. Si no necesitas el hierro para hacer catalasa-peroxidasa, lo puedes dedicar a reproducirte y crecer. Los autores han formalizado matemáticamente la hipótesis con la siguiente expresión:



Donde B es el beneficio adaptativo relativo (relative fitness benefit)y está determinado por el ahorro en energía y otros recursos que se consigue al perder un gen. Para ello se comparan las cuotas celulares de dichos recursos para una especie ancestral que posea el gen (QA) y una especie mutante que ha perdido dicho gen (QM). En el caso de Prochlorococcus, requiere un 0,2% menos hierro que el ancestro que poseía el gen katG. Eso quiere decir que Prochlorococcus era capaz de crecer un 0,2% más rápidamente que su ancestro. Asumiendo que el tiempo de generación del ancestro es de una vez al día, una sola célula de Prochlorococcus habría desplazado a su ancestro de todos los océanos en tan solo 129 años.

Los autores proponen otros escenarios y hábitats donde puede estar dándose este caso. Por ejemplo, el caso de la fijación del nitrógeno en los océanos, o las fuentes de compuestos de azufre reducido para la síntesis de macromoléculas. La hipótesis de la reina negra también podría explicar el establecimiento de los biofilms en determinados hábitats, y las complejas interrelaciones de los componentes de dichos biofilms. La hipótesis de la reina negra parece una "buena hipótesis" porque no solo explica una serie de observaciones y hechos como por ejemplo el porqué es tan difícil obtener cultivos puros de algunos microorganismos tan abundantes, sino que además plantea otra buena serie de nuevas preguntas, entre ellas la siguiente: ¿Existirán "organismos clave" en los ecosistemas cuya extinción conduzca a la inestabilidad y a una catástrofe en dicha comunidad? Esta última pregunta viene dada por la siguiente situación teórica. En el juego "Hearts" hay una estrategia ganadora muy arriesgada. Es el "disparo a la luna" (shooting the moon) y consiste en recoger todos los corazones y la reina de picas. En la Naturaleza eso equivaldría a un ser vivo que cumple todas las funciones beneficiosas y necesarias para la comunidad. No tendría porque ser el más abundante, pero sin él, toda la comunidad colapsaría.

El "disparo a la luna". El jugador que recoja todas esas cartas gana la partida. Fuente: Wikipedia.


Esta entrada participa en el carnaval de las Matemáticas, en el XV carnaval de la Química que se hospeda en El Cuaderno de Calpurnia y en el XIII carnaval de la Biología que se aloja en Caja de Ciencia.

Y por si el lector no lo ha notado, hoy es dia 13, es la edición 13 del carnaval de la biología, y la reina de picas vale 13 puntos.

ResearchBlogging.org

Morris, J., Lenski, R., & Zinser, E. (2012). The Black Queen Hypothesis: Evolution of Dependencies through Adaptive Gene Loss mBio, 3 (2) DOI: 10.1128/mBio.00036-12